章 勇，楊 臻

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

武器裝備的效能評(píng)估是為了對武器進(jìn)行“能力”的評(píng)估、優(yōu)化和設(shè)計(jì)，節(jié)省裝備的研發(fā)生產(chǎn)成本，也是為了武器裝備在戰(zhàn)場環(huán)境下有良好的“表現(xiàn)”，從戰(zhàn)果和資源上帶來雙重收獲。

傳統(tǒng)的效能評(píng)估方法主要是基于系統(tǒng)論思想的理論分析法[1]，這種方法首先明確并定義當(dāng)前要評(píng)估的任務(wù)系統(tǒng)，然后建立合適的評(píng)估指標(biāo)體系，最后采用合適的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行評(píng)估。這種評(píng)估方法層次清晰，有較好的評(píng)估效果，但這都是在簡化實(shí)際問題的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，不可避免的割裂了各要素與真實(shí)戰(zhàn)場環(huán)境的真實(shí)聯(lián)系。本文提出的仿真對抗的評(píng)估方法，主要基于視景仿真技術(shù)，盡可能真實(shí)的模擬了戰(zhàn)場環(huán)境下的武器對抗，在接近實(shí)戰(zhàn)的對抗中評(píng)估裝備，有較為直觀的評(píng)估效果。

1 槍械作戰(zhàn)效能評(píng)估常用方法

1.1 實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法就是在特定的現(xiàn)場環(huán)境下，模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境或?qū)崙?zhàn)對抗演習(xí)，獲得大量接近實(shí)戰(zhàn)的戰(zhàn)斗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用模型清楚地表示并加以利用，再用合適的數(shù)學(xué)公式和模型對其處理和評(píng)估。常用的統(tǒng)計(jì)評(píng)估法有抽樣調(diào)查、假設(shè)檢驗(yàn)和參數(shù)估計(jì)等[2]。

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法最直觀的得到槍械的單項(xiàng)作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)值，如射擊效能、毀傷效能和火力效能等。槍械作戰(zhàn)效能層次圖如圖1。

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法能得到較為真實(shí)可靠的指標(biāo)評(píng)估值，可實(shí)現(xiàn)各種特定作戰(zhàn)規(guī)則和環(huán)境對效能的影響，有較為可靠的評(píng)估結(jié)果，但需要大量的人力物力，這可以根據(jù)需要對現(xiàn)役武器進(jìn)行評(píng)估，但在武器裝備的前期研制過程中沒有太大的可行性。

圖1 槍械作戰(zhàn)效能層次圖

1.2 分析評(píng)估法

分析評(píng)估法是基于數(shù)學(xué)公式，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行處理。主要有基于美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(huì)提出的WSEIAC模型即ADC法和系統(tǒng)有效性分析方法即SEA法等[3]。

SEA法是一種將系統(tǒng)和使命相聯(lián)系的動(dòng)態(tài)評(píng)估方法。這種動(dòng)態(tài)分析法具有較強(qiáng)的分析能力和廣泛的實(shí)用性，但在多維效能量度的指標(biāo)計(jì)算方面，仍沒有完整的章法可循，需進(jìn)行更深入的研究。

2 基于仿真對抗的槍械作戰(zhàn)效能評(píng)估方法

基于仿真對抗的作戰(zhàn)效能評(píng)估方法主要采用視景仿真技術(shù)和編程技術(shù)，模擬真實(shí)戰(zhàn)場的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境[4]，建立貼近真實(shí)的數(shù)值仿真模型，對槍械進(jìn)行“實(shí)地”考察評(píng)估。

2.1 基于仿真的槍械評(píng)估指標(biāo)

基于仿真的評(píng)估方法，不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法和分析評(píng)估法，評(píng)估的結(jié)果是直接“表現(xiàn)”出來的，基于這種評(píng)估方法的“能看得見”的評(píng)估指標(biāo)有：有效射程、射擊精度、戰(zhàn)斗射速、毀傷能力、環(huán)境適應(yīng)能力、人員適應(yīng)能力和戰(zhàn)術(shù)適應(yīng)能力等。

由于本仿真評(píng)估法的特殊性，對機(jī)動(dòng)能力的評(píng)估可在一特定場景下執(zhí)行相同的作戰(zhàn)任務(wù)表現(xiàn)出來。根據(jù)不同的需要，評(píng)估系統(tǒng)可建立不同的場景，可以對一個(gè)特定的作戰(zhàn)場景建模，例如：作戰(zhàn)場景是一片充滿各種灌木、瓦礫和溝壑的森林，任務(wù)場景是控制作戰(zhàn)人員不變，即士兵參數(shù)屬性設(shè)置相同，攜帶的槍械參數(shù)不同，包括槍長，槍重等，由作戰(zhàn)人員在這特定場景中完成行軍轉(zhuǎn)移的任務(wù)，最后由完成的時(shí)間來評(píng)估比較不同參數(shù)槍械的機(jī)動(dòng)能力。

綜合火力包括：有效射程、射擊精度、戰(zhàn)斗射速、毀傷能力、毀傷能力、戰(zhàn)斗射速等?？梢栽趩伪?xùn)練場景下，設(shè)置不同參數(shù)屬性的槍械進(jìn)行個(gè)單項(xiàng)火力指標(biāo)的評(píng)估，由系統(tǒng)輸出顯示結(jié)果，亦可在對抗場景下，保持作戰(zhàn)人員屬性相同，由兩士兵持不同屬性槍械進(jìn)行對抗，由最后傷亡結(jié)果展現(xiàn)綜合的火力。這里需要注意的是，因?yàn)槭窍到y(tǒng)模擬仿真，無需耗費(fèi)大量人力物力。為了保證更有效的評(píng)估結(jié)果，可進(jìn)行大量相同的評(píng)估，再綜合分析所有的結(jié)果，可以把這編進(jìn)系統(tǒng)里，使系統(tǒng)直接模擬評(píng)估指定的次數(shù)，直接顯示綜合分析評(píng)估結(jié)果。

傳統(tǒng)的評(píng)估方法對環(huán)境適應(yīng)能力人員適應(yīng)能力和戰(zhàn)術(shù)適應(yīng)能力不能有很好的評(píng)估方法和評(píng)估效果，基于仿真的評(píng)估方法可以設(shè)置不同屬性的士兵執(zhí)行相同的作戰(zhàn)任務(wù)來評(píng)估人員適應(yīng)能力；設(shè)置不同的戰(zhàn)場環(huán)境，包括作戰(zhàn)場地、光強(qiáng)和天氣等來評(píng)估槍械的環(huán)境適應(yīng)能力。

1) 人員適應(yīng)能力評(píng)估?？刂谱鲬?zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)模式和任務(wù)相同，僅作戰(zhàn)人員不同，在本方法中即士兵的屬性設(shè)置不同，例如：速度，反應(yīng)時(shí)間等不同的戰(zhàn)斗人員A、戰(zhàn)斗人員B、戰(zhàn)斗人員C等，進(jìn)行相同的行軍任務(wù)、訓(xùn)練任務(wù)或者對抗任務(wù)，評(píng)估人員適應(yīng)能力。

2) 環(huán)境適應(yīng)能力評(píng)估。控制作戰(zhàn)人員和作戰(zhàn)任務(wù)相同，僅作戰(zhàn)環(huán)境不同，例如山地環(huán)境、城市街道環(huán)境、平原環(huán)境等，士兵屬性相同，可在選定的環(huán)境執(zhí)行行軍任務(wù)、訓(xùn)練任務(wù)和對抗任務(wù)等。這里可以增加天氣等環(huán)境控制變量，例如風(fēng)沙、雨水、白天和黑夜等，以此豐富環(huán)境模式的選擇。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

視景仿真技術(shù)是一種借助軟件，重構(gòu)現(xiàn)實(shí)場景，直觀形象的表現(xiàn)仿真行為的可視化仿真技術(shù)[5]。這里采用游戲引擎Unity3D技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)場景建模，U3D是一個(gè)能創(chuàng)建大型三維游戲和仿真三維動(dòng)畫的多平臺(tái)綜合型交互式游戲開發(fā)工具。人物、槍械和相關(guān)場景物體的模型，可采用模型制作軟件3ds Max構(gòu)建。

C#是一種強(qiáng)大的腳本語言，用來實(shí)現(xiàn)控制場景對象和業(yè)務(wù)邏輯，但其數(shù)值計(jì)算分析功能相對薄弱，matlab具有強(qiáng)大的數(shù)值分析計(jì)算能力，兩者相互結(jié)合，正好優(yōu)勢互補(bǔ)[6]。將matlab的.m文件編譯生成.dll文件，再嵌入到C#程序?qū)崿F(xiàn)混合編程。

尋路算法解決的是場景中士兵對目標(biāo)的搜索和接近過程中的路徑規(guī)劃問題，在不同的場景下，士兵跨過障礙物智能的選擇最優(yōu)路徑向目標(biāo)接近，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后停止尋路并對抗作戰(zhàn)。A*算法是一種在游戲中廣泛應(yīng)用的尋路算法，有較好的搜尋效果，但適用于小地圖場景和搜尋一些固定的目標(biāo)。B*算法相較與A*算法有更高效的搜尋效率和更廣的適用性[7]，兩種算法結(jié)合使用，可以對不同任務(wù)場景下的路徑進(jìn)行規(guī)劃。

實(shí)現(xiàn)仿真對抗評(píng)估的關(guān)鍵一點(diǎn)就是士兵的智能化程度，只有在接近真實(shí)對抗的環(huán)境下評(píng)估武器，評(píng)估才具有實(shí)際意義，實(shí)現(xiàn)士兵的智能化是此評(píng)估方法的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

士兵的決策模型，是士兵根據(jù)任務(wù)由感知模型對現(xiàn)場環(huán)境的感知做出實(shí)時(shí)判斷的依據(jù)。常用的決策模型有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等，這里可以采用算法實(shí)現(xiàn)簡單高效的決策樹模型[8]，將士兵的決策內(nèi)容和模式加入事件系統(tǒng)中，構(gòu)建行為樹框架，以實(shí)現(xiàn)士兵的智能化控制。

評(píng)估方法的數(shù)值模型主要是命中模型，這也是本方法實(shí)施的關(guān)鍵。命中概率計(jì)算主要基于外彈道模型，模型里的某些關(guān)鍵參數(shù)可以設(shè)置輸入，以達(dá)到評(píng)估不同槍械的目的。

3 仿真評(píng)估系統(tǒng)構(gòu)建流程

3.1 系統(tǒng)模塊組成

系統(tǒng)總共有4個(gè)模塊：人機(jī)交互模塊、數(shù)值仿真模塊、視景仿真模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。人機(jī)交互模塊是UI界面，可以選擇訓(xùn)練場景和輸入被評(píng)估的槍械的參數(shù)；數(shù)值仿真模塊主要是命中概率的解算和毀傷概率的計(jì)算；視景仿真模塊是將整個(gè)對抗評(píng)估過程和數(shù)值仿真過程借助軟件通過實(shí)景建模使其可視化；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊儲(chǔ)存場景和人物等模型和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊圖

3.2 系統(tǒng)構(gòu)建流程

仿真評(píng)估系統(tǒng)建立流程如圖3所示。首先要明確需要評(píng)估的作戰(zhàn)效能。常用的單項(xiàng)作戰(zhàn)效能指標(biāo)有：射擊效能、毀傷效能、火力效能、突防效能、機(jī)動(dòng)效能、生存效能和防護(hù)效能等，系統(tǒng)綜合作戰(zhàn)效能可以通過仿真對抗的結(jié)果評(píng)估，這也符合評(píng)估的目的是為了實(shí)戰(zhàn)的原則。

圖3 系統(tǒng)建立流程

明確了評(píng)估的任務(wù)后進(jìn)行場景規(guī)劃想定，場景規(guī)劃即評(píng)估的虛擬戰(zhàn)場設(shè)計(jì)，除了既定的場景，還可以加入不同的天氣和光線選擇，場景規(guī)劃如圖4所示。評(píng)估場景規(guī)劃完成后進(jìn)行模型建模，模型建模包括虛擬實(shí)物模型和數(shù)值仿真模型，虛擬實(shí)物模型包括評(píng)估場景的環(huán)境模型、士兵模型和槍械模型，數(shù)值仿真模型主要是槍械的外彈道模型、士兵尋路模型和士兵的感知模型。

圖4 場景規(guī)劃

最后是整個(gè)系統(tǒng)的建模，設(shè)計(jì)UI 界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，總體系統(tǒng)達(dá)到模擬現(xiàn)實(shí)的作戰(zhàn)效果。系統(tǒng)操作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)操作流程

4 評(píng)估實(shí)例

武文娜描述了一種基于視景仿真的槍械效能評(píng)估方法[6]。該文分4個(gè)部分：模型的建立、士兵的尋路算法、槍械作戰(zhàn)效能評(píng)估和視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)主要有兩種評(píng)估模式：單人考核模式和雙人對抗模式。在單兵模式中士兵的尋路算法采用的是A*算法，在對抗模式中主要采用煙花算法。圖6為該系統(tǒng)的界面截圖。

5 結(jié)論

本文描述的基于仿真對抗的槍械效能評(píng)估方法，基于真實(shí)戰(zhàn)場的仿真模擬對抗評(píng)估槍械的效能，具有直觀、形象的評(píng)估效果，大大節(jié)省了研制的經(jīng)費(fèi)支出，有效可行。